Vývoji syntetické metodologie vedoucí k přípravě axiálně a laterálně extendovaných helicenů a dalších aromátů s využitím intramolekulární [2+2+2] cykloisomerizace alkynů se ve svém projektu, podpořeném Grantovou agenturou České republiky, věnoval tým RNDr. Ireny G. Staré z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky.
V rámci projektu její výzkumný tým studoval fyzikálně chemické vlastnosti těchto unikátních neplanárních aromatických systémů a jejich funkcionalizovaných derivátů. „Pozornost jsme věnovali zejména samoskladbě, krystalovému uspořádání, spektroskopickým (chiroptickým) vlastnostem a měření elektrické vodivosti na úrovni jedné molekuly,“ říká v rozhovoru RNDr. Irena G. Stará, CSc.
Můžete prosím vysvětlit pojmy z názvu projektu „neplanární aromatické systémy“?
Aromatické systémy jsou organické látky mající specifické vlastnosti, jako je určitý počet mobilních pi-elektronů, přítomnost šestičlenných uhlíkových kruhů s dvojnými vazbami, které jsou oproti jiným derivátům, nearomatickým, daleko stabilnější a vyznačují se jinou reaktivitou ve smyslu možných chemických přeměn.
A neplanární?
To je velmi významná vlastnost. Když totiž byly aromatické látky definované jako aromatické, stalo se tak ve třicátých letech minulého století, kritériem aromatičnosti bylo, že musejí být planární, neboli že se jejich uhlíková kostra musí nacházet v rovině. Má to samozřejmě racionální vysvětlení, je tak umožněn efektivní orbitálový překryv. Tato podmínka platí i nadále. Jen s tím rozdílem či upřesněním, že jak se rozšířily možnosti syntetické organické chemie a možnosti strukturní analýzy (především nukleárně magnetické rezonance), jsme dnes schopni v laboratoři připravit aromatické látky se značně komplikovanou strukturou, které nejsou rovinnými útvary, jsou tedy neplanární (vyznačují se jistým pnutím). Co víc, protože jsou neplanární, mohou zaujímat jedinečné uspořádání v prostoru, a jsou tudíž i chirální. Říkáme, že jsou inherentně chirální, protože postrádají obvyklý prvek chirality – asymetrický atom uhlíku. Zmíněné vlastnosti mají velmi zajímavé důsledky.
Proč jste zvolila právě toto téma? V čem je významné/zajímavé?
Volba tématiky úzce souvisí s výše popsaným. Neplanární chirální molekuly, které obsahují mobilní pi-elektrony a tzv. konjugované násobné vazby, jsou velice zajímavé objekty ke zkoumání. Nutno říct, že rozhodně nejsou dostatečně probádané. V poslední době dokonce nastal boom vědeckých článků, které touto tématikou zabývají.
Čím je to způsobené?
Pro jejich laboratorní přípravu je nutno použít mnohdy velmi sofistikované postupy a reakce, které donedávna nebyly buď vůbec známé, nebo byly obtížně proveditelné. Co nám studium těchto látek může přinést? Uvedené molekuly mají značný potenciál pro využití v molekulárních zařízeních, jejichž funkce je založena na transportu náboje a spinu. Protože jsou chirální, může se u nich uplatnit tzv. CISS efekt (chiralitou indukovaná spinová selektivita), který popsal roku 1999 Ron Naaman z Weizmannova institutu v Izraeli. Spontánní polarizace spinu procházejících elektronů (bez přítomnosti vnějšího magnetického pole) pak může vést ke spinové filtraci. Chiralita prostředí tedy ovlivňuje průchod elektronů v závislosti na jejich spinu. Tento jev je známý u ferromagnetických materiálů, avšak u organických látek nebo biomolekul byl až do nedávna přehlížen. CISS efekt může být důležitý také pro rozvoj nastupujících technologií, např. organické spintroniky. Pro studium tohoto jevu, ale nejen proto, je potřeba mít k dispozici vhodné chirální látky, jakými jsou například „superchirální“ heliceny s pi-elektrony a šroubovicovým uspořádáním. Snadno si popsaný tvar můžeme představit jako točité schodiště nebo závit šroubu. Heliceny i zmíněné makroobjekty se vyznačují helicitou, tj. jejich tvar se stáčí při pohledu od pozorovatele ve směru hodinových ručiček (P) nebo proti tomuto směru (M).
Co bylo cílem projektu?
Položili jsme si otázku, kam až můžeme jít s délkou helicenů, jejichž všechny molekuly budou identické kopie. Heliceny jsou tvořeny těsně spojenými benzenovými kruhy, kterých obsahují obvykle pět až sedm. A nás zajímalo: jsme schopni pospojovat víc kruhů, devět, jedenáct, sedmnáct …. ? Z literatury jsme mohli čerpat inspiraci, neboť japonští vědci Murase a Fujita připravili nedávno helicen skládající se ze šestnácti benzenových jader. Problémem bylo, že klíčová reakce, násobná fotodehydrocyklizace, vedla pouze k velmi malému výtěžku kýženého dlouhého helicenu (7%). Rozhodli jsme se tedy jít jinou cestou a naši strategii vystavět na originálním přístupu k helicenům, který jsme poprvé publikovali v roce 1997.
Výsledky projektu „Rozsáhlé neplanárních aromatické systémy: vývoj nových funkčních materiálů“ si získaly pozornost také v zahraničních časopisech.
V čem spočíval váš postup?
V tom, že v jediném syntetickém kroku vybudujeme celou šroubovici řízeným svinutím lineárního prekurzoru za přispění kovového katalyzátoru (komplexu kobaltu). Cyklizace, která může probíhat v rámci jedné molekuly až čtyřnásobně, uvolňuje do okolí docela velkou energii. Této skutečnosti lze pak s výhodou využít pro přípravu molekul s vnitřním pnutím, jako jsou vyšší heliceny. Tímto postupem se nám skutečně podařilo připravit látky skládající se z devíti, jedenácti i sedmnácti kruhů. To nám dodalo kuráž a pokusili jsme se připravit helicen s devatenácti kruhy, nonadekaoxahelicen. Uspěli jsme i v tomto případě a získali jsme jej ve výtěžku téměř 50 %. Šroubovice vznikla tak, že jsme v průběhu jedné reakce vytvořili dvanáct vazeb uhlík-uhlík a zároveň uzavřeli dvanáct nových kruhů. Byli jsme též schopni předpovědět pomocí kvantově chemických výpočtů smysl stočení helixu v případě asymetrické syntézy nonadekaoxahelicenu. Zde jsme aplikovali metodu diastereoselektivní syntézy, kterou jsme vyvinuli dříve. Výsledná šroubovice má celkem tři závity a je 1.4 nm dlouhá. Jedná se o dosud nejdelší helicen, který byl kdy připraven. V našem týmu se také věnujeme měření vodivosti jednotlivých molekul. Za tímto účelem jsme vyvinuli vlastní měřící zařízení, které využívá metodu „break-junction“, v překladu metodu „přerušeného můstku“, ale tento český název se moc nepoužívá.
O co se přesně jedná?
Princip je z literatury znám, přičemž jsou běžné dvě varianty: mechanicky kontrolované zařízení „break-junction“ nebo zařízení na principu skenovacího tunelovacího mikroskopu. V našem týmu teď využíváme oba typy přístroje. Princip metody „break-junction“ je jednoduchý: tenký zlatý drátek se mechanicky vytahuje až do formy jednoatomárního řetízku, který se v určitý okamžik přetrhne (odtud pochází název metody „break-junction“). Díky vysoké plasticitě zlata lze tento proces opakovat vícekrát za vteřinu, čímž se neustále obnovuje systém zlatých nanoelektrod, které mohou být ve statisticky významném počtu případů přemostěny právě jednou zkoumanou molekulou. Potom lze měřit tunelovací proud procházející molekulou a spočítat její vodivost na základě velkého objemu naměřených dat. Pro představu: u derivátu nonahelicenu, který se skládá z devíti kruhů a jehož šroubovice je na obou koncích opatřena dusíkovými kotvícími skupinami, se jedná o vodivost 8.8 x 10-4 G/G0 (G je vodivost zkoumané molekuly a G0 vodivost jednoatomárního zlatého drátku). Molekulou tak při napětí 0.1 V protéká proud ca 8 nA. Výsledky jsme publikovali v prestižním mezinárodním časopise Angewandte Chemie International Edition.
K tomu, aby bylo možné měřit tak malé proudy, je třeba zkonstruovat velmi citlivé zařízení, které dokáže rychle a přesně měřit napětí v rozsahu alespoň osmi řádů, a to mnohokrát za vteřinu. Naštěstí máme v našem týmu vedeném Dr. Ivem Starým skvělé kolegy, jmenovitě Dr. Jaroslava Vacka, který věnoval vývoji zařízení „break-junction“ a způsobu zpracování obrovského objemu naměřených dat nemalé úsilí, spoustu času i energie. Později se k němu přidal Ph.D. student Jindřich Nejedlý, který nejprve připravil potřebné šroubovicové molekuly, aby poté s nimi uskutečnil měření vodivosti. Tým ještě doplnil Dr. Ladislav Sieger, který nám pomáhá s návrhy elektronických obvodů a vývojem celého zařízení. Před časem jsme začali spolupracovat také s prof. Josefem Zichou z pražského ČVUT, který navrhuje mechanickou část našich zařízení. Výčet by nebyl úplný bez teplické firmy BMD, která se specializuje na výrobu unikátních měřících přístrojů. Společně jsme vyvinuli např. pružný kloub nutný pro precizní měření. Je to klíčová komponenta zařízení a zároveň něco, co je výtvarně krásné. Osobně si vychutnávám ty okamžiky, kdy se všichni sejdeme nad plány další generace přístroje a živě diskutujeme, co a jak řešit.
K jakým dalším výsledkům jste se dopracovali?
K dalším výsledkům, které se nám podařilo dosáhnou v průběhu řešení grantu patří ty, ke kterým jsme dospěli v rámci plodné spolupráce s týmem Dr. Pavla Jelínka z Fyzikálního ústavu AV, které si velice vážíme a která trvá již několik let. Náš kolega, Ph.D. student Jiří Klívar připravil aromatický azid (se skupinou -N3), který pak Dr. Oleksander Stetsovych a Dr. Martin Švec z FÚ napařili na povrch stříbra za podmínek velmi vysokého vakua (blízkému tomu, které se nalézá v meziplanetárním prostoru, 10-10 bar). Vzorek azidu zahřáli, aby proběhla chemická transformace, a poté zobrazovali jednotlivé produkty a jejich komplexy pomocí skenovací tunelovací mikroskopie (STM) a bezkontaktní mikroskopie atomárních sil (nc-AFM) při teplotě blízké absolutní nule (asi -269 OC, které se dá dosáhnout chlazením mikroskopu kapalným heliem). Určili jsme, k jakým chemickým reakcím na úrovni jednotlivých molekul došlo a popsali jsme reaktivitu azidové skupiny na povrchu stříbra. Naše pozorování jsme podpořili kvantově chemickými výpočty struktury meziproduktů i konečných produktů reakce. I tyto výsledky jsme publikovali v prestižním mezinárodním časopise Angewandte Chemie International Edition.
Jsou zjištěné informace nějak využitelné v praxi?
Náš tým z ÚOCHB spolu s kolegovy z FÚ se zabývá převážně základním výzkumem, kdy se snažíme pochopit fungování okolního světa na atomární úrovni. Úkolem základního výzkumu je získávat fundamentální informace o světě, ve kterém žijeme, a budovat solidní a široké základy našeho poznání. Teprve poté při spojení vědomostí, fantazie a konkrétního nápadu může dojít k využití výsledků základního výzkumu, což lze doložit množstvím příkladů z nedávné i poněkud vzdálenější doby. Obecně pak platí, že poznání v konečném důsledku produkuje peníze, aby jejich část zase produkovala nové poznání. Neboli, naše výsledky jsou zajímavé z hlediska rozšíření poznání v oblastech, které zatím příliš zmapované nemáme.
Například teď víme, jak připravit molekuly pro možné budoucí aplikace za použití speciálních přístrojů, jako je např. průtokový reaktor, kdy by klasické provedení ve skleněné baňce k úspěchu nevedlo. Dále je vysoce aktuální zkoumat chemické a fyzikální děje na úrovni jednotlivých molekul za podmínek, které byly ještě před nedávnem považovány za neproveditelné a jako z říše snů. Díky rozvoji metodiky je nyní možné zkoumat i tyto procesy a například měřit vodivost jednotlivých molekul pomocí „trochu lepšího“ voltmetru. Vědomosti tohoto typu se nám v budoucnosti mohou velmi hodit; zkusme si jen uvědomit, kolik klíčových procesů v okolním světě je spojeno s transportem elektronů skrze organické molekuly. Stejně tak studium reaktivity a sledování přeměn organických látek je nyní možné uskutečnit na úrovni jedné molekuly a nikoli v souboru miliardy miliard molekul, jak se běžně děje v chemické laboratoři při reakci v baňce. Jedná o zcela unikátní přístup: jako bychom chemickou reakci prováděli vně kosmické lodi ve vesmírném prostoru bez rušivého vlivu nečistot a rozpouštědel.
Jak si projekt vedl, co se týká citovanosti v odborných časopisech?
Výsledky projektu jsme publikovali v 6 článcích v předních recenzovaných mezinárodních časopisech: dva články jsme uveřejnili v Angew. Chem. Int. Ed. (Impact Factor IP 12,257), po jednom v Chem. Sci. (IP 9,556) či Chem. Eur. J. (IP 5,160), J. Org. Chem. (IP 4,805) a Eur. J. Org. Chem. (IP 3,029). Celkem zatím mají již přes šedesát citací. Zároveň byl článek o přípravě a vlastnostech extrémně dlouhých helicenů zařazen mezinárodním panelem hodnotitelů mezi nejlepší výsledky roku na našem ústavu.
Budete zjištěné informace dále rozvíjet/zkoumat? Na čem zajímavém aktuálně pracujete a co plánujete?
Řešení projektu ukázalo, že daná oblast výzkumu je velice široká a perspektivní. Na základě získaných výsledků jsme se rozhodli dát dohromady další projekt, který řešíme teď a který jde mnohem dále v zaměření na jednotlivé molekuly a jejich vlastnosti: studujeme samoskladbu rozsáhlých aromatických systémů metodami hrotové skenovací mikroskopie (STM, AFM), věnujeme se chiroptickým vlastnostem těchto unikátních látek jakož i transportu náboje přes tyto chirální aromatické systémy. Do budoucna bychom rádi zaměřili svůj zájem na CISS efekt a jeho využití v chemii a fyzice v rámci studia netriviálních aromatických systémů, tak, jak jsem ho stručně zmínila za začátku rozhovoru.
Na úvodní fotce je projektový tým RNDr. Ireny G. Staré, CSc.
Mezi projekty, které Grantová agentura České republiky vyhodnotila jako vynikající, patří i nedávno ukončený projekt řešitele Dr. Martina Friáka z Ústavu fyziky materiálů AV ČR v Brně a spoluřešitelky doc. Vilmy Buršíkové z Masarykovy univerzity v Brně nazvaný „Teorií vedený vývoj nových superslitin na bázi Fe-Al“.
Cílem projektu bylo prohloubit naše znalosti týkající se magnetických materiálů obsahujících železo a hliník. Motivací k výzkumu byla (vedle zvídavosti všech účastníků projektu) zejména rostoucí poptávka po nových magnetických materiálech. Ty si našly cestu do celé řady výrobků kolem nás, od mobilních telefonů a elektromobilů až po tak komplikovaná průmyslová zařízení jako jsou větrné elektrárny. Problémem většiny silnějších magnetů je, že obsahují tzv. vzácné zeminy, jejichž těžba a následné zpracování mají velmi negativní ekologický dopad. Zmíněný projekt nabízí nový přístup při vývoji magnetických materiálů, které vzácné zeminy neobsahují.
Část řešitelského týmu (zleva: doc. Vilma Buršíková, Dr. Yvonna Jirásková, Dr. Jan Fikar, Dr. Martin Friák, Dr. Petr Dymáček a Dr. Ferdinand Dobeš). Foto doc. Jan Klusák z ÚFM AV ČR.
Jaká byla vaše motivace pro zkoumání právě magnetických materiálů?
V současné době se jedná o velmi aktivní oblast výzkumu vzhledem k rostoucí důležitosti magnetů, které jsou součástí například mnoha elektromotorů. V případě našeho projektu jsme hledali cesty, jak stávající magnety při zachování jejich chemického složení dále vylepšit. Silnější magnet znamená, že jej můžete při zachování funkčnosti zmenšit. To znamená úsporu váhy, což např. u elektromobilu může prodloužit jeho dojezdovou vzdálenost. Abychom mohli magnetické vlastnosti posílit, chtěli jsme nejdříve lépe porozumět souvislostí mezi magnetismem a strukturou materiálů.
O jaké struktuře konkrétně mluvíme?
My jsme se vydali až na úroveň atomů. Námi zkoumané kovové materiály měly krystalickou strukturu, podobně jako se s ní denně setkáváme např. u kuchyňské soli. V každém zrnku jsou atomy rozmístěny v prostoru geometricky pravidelně ve stejných vzdálenostech a tvoří uzly třírozměrné krystalové mříže. Krystalky v našich vzorcích byly ale menší, než je běžné u kuchyňské soli, a navíc spojené v jeden kompaktní celek.
A kde tam můžeme narazit na nepořádek?
Vedle oné geometrické pravidelnosti v rozmístění atomů v prostoru je velmi důležité, jaké atomy a jak přesně jsou v mříži umístěny. V našem případě to byly vedle atomů železa také atomy hliníku nebo dalších kovů. Atomy různých chemických prvků mohou být rozmístěny buď pravidelně, nebo bez nějakého systému. Pokud bychom si jako přirovnání vybrali šachovnici s tím, že černá a bílá pole by reprezentovala dva chemicky odlišné druhy atomů, pak by běžná šachovnice byla příkladem jednoho z pravidelných rozmístění. Ale můžeme si i představit, že by někdo vzal černou a bílou barvu a pole na šachovnici nějak náhodně přebarvil při zachování jejich poměru (polovina bílých a polovina černých), my bychom řekli koncentrace. Bílá pole by pak v takovém chaosu někde sousedila svými hranami nejen s poli černými, jak je obvyklé, ale i s bílými, což se na normální šachovnici nestává.
Jak by mohl nepořádek posílit magnetismus?
Magnetismus jednotlivých atomů popisuje veličina zvaná magnetický moment. Atomy železa ho mají mnohem větší než hliník, který je téměř nemagnetický. Pro nás bylo klíčové, že pokud nějaký atom železa obklopíte atomy hliníku, sníží se tím magnetický moment i tomu atomu železa. Vzhledem k tomu, že takové uspořádání atomů železa a hliníku snižuje jejich energii, což má příroda velmi ráda, je zde přirozená (termodynamická) tendence takto obklopit pokud možno všechny atomy železa. Magnetické vlastnosti jsou pak špatné i na makroskopické úrovni celého vzorku. Naším cílem bylo porušit toto dokonalé obklopení a magnetický moment atomů železa zvýšit. A zde nám právě pomohl nepořádek. V krystalech se přirozeně vyskytují různé druhy defektů, které narušují ono dokonalé obklopení např. tím, že se celá rovina atomů o jedno místo v krystalu posune. Tím umožní, že jsou alespoň některé atomy železa obklopeny jinými atomy železa, což jim všem zvýší magnetický moment a magnetické vlastnosti se zlepšují. Ale cenou je nárůst energie, který nesmí být moc velký. Náš výzkum se tedy soustředil na různé druhy defektů. Tam, kde na jejich zkoumání na atomární úrovni nestačilo rozlišení experimentálních metod, pomohli jsme si simulacemi na superpočítačích.
Víme dobře, že naše práce je výzkum základní, který má k aplikacím zatím daleko, ale ukázali jsme na novou cestu při přípravě silnějších magnetů a doufáme, že na něj v budoucnu někdo úspěšně naváže výzkumem aplikovaným a následným uplatněním v praxi. Foto doc. Jan Klusák z ÚFM AV ČR.
A jak moc se zvýší magnetismus krystalu s defekty?
Naše výpočty v případě jedné ze zkoumaných slitin železa, hliníku a titanu ukázaly, že magnetický moment se může zvýšit až o 140 %, což už je opravdu hodně. Jsme moc rádi, že jsme na takové možnosti zlepšení přišli a upozornili na ně. Využití tohoto jevu už ale není problém pro náš základní výzkum, ale spíše pro výzkum aplikovaný, kdy by se při výrobě magnetů defekty např. cíleně a kontrolovaně vytvářely. Doufáme, že na naši práci v budoucnu někdo úspěšně naváže, ale to je už úkol pro trošku jiný řešitelský tým.
Váš tým byl ale docela velký a pestrý už i teď, že?
Ano, to je pravda. Chtěli jsme se vyhnout situaci, kdy základní výzkum předpoví materiál s velmi slibnými vlastnostmi, ale následně se ukáže, že je např. tak křehký, že se z něj nedá nic vyrobit. Proto se náš tým skládal i z odborníků, kteří mechanické vlastnosti testovali nejen při pokojové teplotě (doc. Vilma Buršíková), ale také při teplotách vyšších (Dr. Ferdinand Dobeš a Dr. Petr Dymáček). K expertům na teoretické modelování (Dr. Petr Šesták, Dr. Jan Fikar, doc. Jiří Šremr a doc. Luděk Nechvátal) a měření magnetismu (Dr. Yvonna Jirásková) jsme také přizvali odborníky na termodynamiku (doc. Jana Pavlů) a další, kteří se věnují zjišťování struktury materiálů (Dr. Naděžda Pizúrová), abychom přesně věděli, co naše vzorky obsahují. Moje mnohaletá zkušenost z pobytů ve dvou ústavech Společnosti Maxe Plancka v Německu jasně ukazuje, že pro řešení složitějších problémů jsou takové multidisciplinární týmy téměř nutností. Navíc jsme spolupracovali s řadou zahraničních vědců v Německu, Rakousku a na Slovensku. Tím se podařilo vytvořit velmi inspirativní atmosféru mezinárodní vědecké spolupráce nejen pro nás, ale v průběhu let také pro celou řadu spolupracujících studentů (Bc. Anton Slávik, Bc. Miroslav Golian, Bc. Vojtěch Homola, Bc. František Zažímal, Bc. Tomáš Číž a Bc. Petr Skopal) a studentek (Bc. Ivana Miháliková, Mgr. Sabina Kovaříková Oweis, Mgr. Martina Mazalová, Mgr. et Bc. Nikola Koutná, Bc. Lenka Knoflíčková). Všem svým spolupracovníkům a spolupracovnicím, kteří se na výzkumu podíleli, bych chtěl tímto moc poděkovat za jejich vynikající práci!
Na úvodním obrázku: Když nestačilo rozlišení experimentálních metod, pomohli jsme si při našem zkoumání materiálů simulacemi na superpočítačích. Foto doc. Jan Klusák z ÚFM AV ČR.
Jako vynikající byl Grantovou agenturou České republiky ohodnocen výzkum zabývající se zlepšením vlastností jemnozrnné pokročilé keramiky při použití studené plazmy. Pod vedením profesora Karla Maci se na něm podílela skupina odborníků z CEITEC VUT i z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity. Základní tříletý výzkum objevil zcela nové souvislosti a výzkumníci by proto rádi navázali na dosavadní úspěch dalšími projekty.
Ačkoliv od sebe výzkumná skupina Pokročilé keramické materiály z CEITEC VUT a oddělení Aplikované plazmochemie PřF MU sídlí asi pět kilometrů, odborníci z obou týmů se potkali až před pár lety v Trenčíně. „Seznámili jsme se na schůzce mezinárodního projektu na Slovensku a zjistili jsme, že tým z Masarykovy univerzity umí a aplikuje na plasty novou technologii ovlivňování povrchu látek. Napadlo nás, že bychom mohli vyzkoušet, co to udělá s výslednými vlastnostmi keramického produktu. Udělali jsme pár prvotních experimentů, a protože se zdálo, že to funguje, rozhodli jsme se společně podat projekt,“ popsal začátek hlavní koordinátor projektu Karel Maca z CEITEC VUT.
Konkrétně se jednalo o tříletý projekt pod záštitou Grantové agentury ČR s názvem Fyzikální aktivace povrchu keramických částic jako nástroj pro zlepšení vlastností jemnozrnné pokročilé keramiky řešený v letech 2017-2019. Tým z Aplikované plazmochemie nejprve řešil, jak jemné prášky, které jsou nutné k výrobě pokročilé keramiky, dát do kontaktu s výbojovou plazmou. „Následně jsme pak řešili, jak charakterizovat změny, ke kterým na částicích dochází. Nevěděli jsme totiž, co plazma s jemnými prášky udělá. A standardní techniky jako infračervená spektroskopie se v tomto případě ukázaly jako nevhodné. Jako velmi užitečné se však ukázaly termoluminiscence a termální desorpční spektroskopie,“ popsal docent Jozef Ráheľ z Masarykovy univerzity.
Odborníci z CEITEC VUT následně modifikované částice využívali v kombinaci s klasickými i moderními keramickými technologiemi a zkoumali případné přínosy tohoto zatím nevyzkoušeného postupu. Část výzkumu byla pod vedením doktora Daniela Drdlíka věnována experimentům s elektroforetickou depozicí keramických částic. „Ukázalo se, že díky povrchové úpravě částic dokážeme eliminovat některé nutné složky v používaných suspenzích, které mohou být ze své podstaty nevhodné pro životní prostředí. Zjistili jsme také, že elektroforéza může sloužit jako diagnostický nástroj zkoumání míry ovlivnění částic. Byli jsme schopni díky tomu stanovit, kolik částic bylo plazmou opracováno,“ upřesnil zaměření Daniel Drdlík s tím, že toto zjištění může zpětně vést k úpravě designu technologie plazmování.
Další skupina výzkumníků a studentů pod vedením doktora Václava Pouchlého zkoušela, jak se bude keramika chovat během vysokoteplotního výpalu. „Zjistili jsme, že když upravíme povrch částic, materiál se při vypalování chová jinak. Konkrétně při vypálení na běžnou teplotu dosahoval lepších vlastností. Jinými slovy, abychom dosáhli standardních vlastností keramiky, stačilo nám vypalovat na nižší teploty, což je samozřejmě ekonomicky a energeticky výhodné,“ přiblížil Václav Pouchlý.
Výstupem rozsáhlého projektu, do kterého byla zapojena i řada studentů VUT a Masarykovy univerzity, je mimo jiné i deset publikací. Ty byly odbornou komunitou oceněny zejména pro zcela nová zjištění i postupy. „Nejdůležitější, co celý projekt ukázal, je skutečnost, že i malá změna povrchových vlastností dokáže přinést makroskopický efekt. S tímto poznatkem nyní pracujeme dále,“ uzavřel Karel Maca. Výzkumníci už proto podali žádost o navazující projekt a doufají, že budou své poznatky moci rozvinout ještě více.
Na fotce zleva: doc. Jozef Ráheľ, dr. Václav Pouchlý, prof. Karel Maca, dr. Daniel Drdlík
Jeden z projektů hodnocený Grantovou agenturou České republiky stupněm vynikající je projekt Kinetika ukládání vodíku v nových komplexních hydridech typu (Mg-Ni-M-S)-H.
Projekt vedený Jiřím Čermákem z Ústavu fyziky materiálů AV ČR Brno byl koncipován jako příspěvek prohlubující současný stav poznání ve velmi živé vědecké oblasti s mimořádně velkým společenským a aplikačním potenciálem. Jedná se o nalezení způsobu, jak efektivně, bezpečně a levně ukládat a transportovat energii ve formě potenciální chemické energie vodíku. Vyřešení tohoto problému může zásadním způsobem ovlivnit rozvoj tzv. vodíkové energetiky, která bude šetrná k životnímu prostředí a umožní řadu technických aplikací. Výstupem projektu bylo pět velmi kvalitních publikací v renomovaných mezinárodních časopisech a výsledky byly prezentovány na šesti mezinárodních konferencích.
Proč jste se rozhodli věnovat v projektu právě tomuto tématu?
Byla to především velká společenská výzva. I laická veřejnost vnímá zprávy o sestrojení dopravních prostředků a jiných zařízení na „vodíkový pohon“. Zdůrazňují se přitom především ekologická hlediska: odpadním produktem přeměny energie uložené ve vodíku je totiž jen vodní pára. Nezanedbatelné hledisko je také prakticky nevyčerpatelný zdroj vodíku na Zemi, který se vlastně ve „vodíkovém energetickém cyklu“ stále obnovuje. Co se týká dnešního stavu techniky, ve zmíněných zařízeních je vodík uložen buď v tlakových kontejnerech, nebo v kapalné formě. Žádný z obou způsobů uložení není ani bezpečný, ani levný. Náš projekt se zabýval ukládáním vodíku v pevných látkách – v podobě hydridů. Pro laika je obvykle velkým překvapením, že tímto způsobem lze uložit více vodíku, než zabere stejný objem vodíku zkapalněného. Přitom odpadají rizika a řada nevýhod obou dosavadních způsobů ukládání.
Jak byste laické veřejnosti vysvětlili, co bylo jádrem vašeho výzkumu?
Pokud bychom se přidrželi příkladu aplikace vodíkového pohonu v dopravních prostředcích, tak bychom mohli říci, že projekt podstatně přispěl k řešení problému bezpečné a efektivní nádrže na palivo.
Můžete nám více přiblížit, co přesně jste v projektu zkoumali?
Hledali jsme nové materiály, které dokážou pojmout co nejvíce vodíku, a pak jej také snadno uvolnit. To znamená, že jejich pracovní tlak a teplota jsou co nejblíže požadavkům technické praxe. Je známo, že jedním z prvků, které pojmou hodně vodíku je hořčík. Proto jsme se soustředili na komplexní hydridy, jejichž hlavní složkou je právě tento prvek. Zkoumali jsme vhodné způsoby přípravy úložného média a vliv katalýzy vybranými přísadami na sorpční proces. Testovali jsme postupně vliv řady přísad a různých struktur média.
Jak projekt zapadá do vaší profesní koncepce?
Projekt není výsledkem našeho krátkodobého zájmu o tuto problematiku. Ukládáním vodíku v pevných látkách se náš malý tým systematicky zabývá již velmi dlouho. V letech 2007 a 2009 jsme získali podporu GAČR (projekt 106/07/0010 – Difúze vodíku v Mg-Ni slitinách modifikovaných vybranými prvky potlačujícími stabilitu hydridů a projekt 106/09/0814 – Kinetika desorpce vodíku v intermetaliku Mg2Ni-H modifikovaném vybranými intersticiálními elementy). V r. 2009 nám byla udělena Cena AV ČR za kolekci prací nazvanou „Hydrogen storage“ a v r. 2011 jsme dosáhli patentového krytí jedné naší úspěšné slitiny. Výrazným rysem našich profesních aktivit je tedy kontinuita. Ze zkušeností jsme čerpali i při řešení tohoto projektu. Za zmínku také stojí fakt, že jeden z publikačních výstupů projektu byl vyhodnocen mezinárodní výběrovou komisí AIE (Advances In Engineering – viz web „https://advances ENG.com“) jako „článek klíčového významu řadící se k excelentním výsledkům vědy“. Komentář k článku i celý text byl vystaven v sérii AIG, což je prestižní a velmi viditelné místo jak pro akademickou, tak i pro technickou odbornou veřejnost.
Co bylo při řešení v projektu nejnáročnější?
Nejobtížnějším na tomto projektu, ale na celé této problematice je obecně její vázaný mnohaparametrový charakter. Technických požadavků na vlastnosti sorpčního média je celá řada. Významnou je rovněž přijatelná materiálová a výrobní cena. Stručně vyjádřeno, hlavní obtíž spočívá v tom, že zlepšení jednoho z parametrů je dosaženo za cenu zhoršení jiného, nebo hned několika dalších. Například dosažení termodynamicky snadnějšího uvolnění uloženého vodíku je většinou spojeno s nežádoucí redukcí sorpční kapacity. Velkým úspěchem je proto nalezení současného zlepšení alespoň dvou charakteristik sorpčního média.
Bude možné získané poznatky využít v praxi?
Ano. Jde o základní materiálový výzkum, ale v tomto případě silně orientovaný na aplikační požadavky. Je však správné na tomto místě poznamenat, že reálné využití výsledků projektu v praxi je podmíněno zvládnutím dalších článků energetického řetězce (zvýšení účinnosti palivových článků, nalezení ekologicky přijatelné výroby samotného vodíku aj.). To je však mimo rámec tohoto projektu.
Na čem aktuálně pracujete a jaké jsou vaše plány?
Hledáme další vhodné slitiny a dosud nevyužité způsoby katalýzy sorpce vodíku. V nejbližší době se chceme zaměřit na sorpční vlastnosti některých vybraných HEA slitin (High Entropy Alloys – mnohakomponentní materiály, vyvinuté původně pro jiné účely, ale s předpokladem perspektivních sorpčních vlastností).
Mohl byste krátce popsat váš řešitelský tým a zázemí?
Jsme malý, ale efektivně fungující čtyřčlenný výzkumný tým. Vedení je věcí RNDr. Jiřího Čermáka, ale na vlastní výzkumné činnosti se podílí všichni členové. Ing. L. Král, PhD. je vynikající expert v oblasti elektronové mikroskopie, doménou Ing. P. Roupcové, PhD. jsou studie metodou XRD. Ing. T. Káňa, PhD. prováděl výpočty ab initio. Všichni členové týmu jsou kmenoví zaměstnanci ÚFM AV ČR Brno, ale kromě vlastní laboratoře využíváme i přístupu na experimentální zařízení CEITEC VUT Brno. Velmi si ceníme účinné podpory Grantové Agentury České republiky. Zvláštní zmínku rádi věnujeme podpoře našeho pracoviště, které vytváří dobré podmínky pro řešení kvalitních projektů základního výzkumu.
Na fotografii zleva: L. Král, T. Káňa, J. Čermák, P. Roupcová
Autor textu: Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i.
Spintronika je rychle se rozvíjející moderní obor materiálového výzkumu, mikroelektroniky a fyziky pevných látek s velkým vědeckým i aplikačním významem. Hraje klíčovou roli v oblasti magnetických pamětí a senzorů. Na prohloubení našich znalostí v této oblasti pracoval v rámci projektu Grantové agentury České republiky „Centrum spintroniky“ v letech 2014–2018 tým více než 20 vědců a studentů pod vedenímprofesora Tomáše Jungwirtha z Fyzikálního ústavu Akademie ČR. Projekt byl velmi úspěšný. Bylo vytvořeno přes 85 publikací uveřejněných v zahraničních vědeckých časopisech s vysokým IF. Deset článků s výsledky projektu mezi lety 2014-2018 je dnes na Web of Science označeno jako „Highly Cited Paper“, tedy do 1 % nejcitovanějších v oboru. V projektu byly získány významnévýsledky v oblasti relativistických spintronických jevů, které byly využity pro vytvoření nového konceptu paměťových součástek založených na antiferomagnetických materiálech.
Pane profesore, můžete na úvod více vysvětlit termín „spintronika“?
Na rozdíl od běžné polovodičové mikroelektroniky, založené na náboji elektronu, využívá spintronika také spin elektronu. Z hlediska praktického využití můžeme najít základy oboru už na konci devatenáctého století, kdy vedle gramofonu byl vynalezen i zvukový záznam na magnetický drát, později pásek nebo disk. Spiny elektronu měly na svědomí ale pouze magnetismus na záznamovém médiu, zatímco k zápisu a čtení zvuku a později dat se používaly elektromagnety (cívky) využívající zase jen proudy nábojů elektronů.
O aplikované spintronice tak většinou hovoříme až v případě, kdy spin elektronu hraje klíčovou roli také při čtení nebo i zápisu informace v paměťovém zařízení. Spintronické součástky pro čtení bývají nazývany magneto-odpory, protože stejně jako záznamové medium jsou konstruovány z magnetických materiálů. První magneto-odpor popsal už lord Kelvin v polovině 19. století, ale cívku pro čtení informace na pevných discích nahradil až v devadesátých letech 20. století.
Tato historická varianta ale byla na přelomu tisíciletí nahrazena nově objeveným tzv. gigantickým magneto-odporem a v té době se taká ujal termín spintronika. Díky gigantickému magneto-odporu, za který byla v roce 2007 udělena Nobelova cena, hrají dodnes pevné disky klíčovou úlohu pro ukládání informací a bez nich by nebyl představitelný exponenciální nárůst množství dat, které dnes máme přes internet k dispozici. I díky spintronice tak dnes nazýváme data díky jejich ekonomickému významu ropou 21. století.
Aplikovaná spintronika ovšem nekončí u pevných disků. Dnes existují i komerční magnetické operační paměti, které kombinují možnost trvalého uložení informace jako u polovodičových „flash“ pamětí s rychlostí polovodičových operačních pamětí. Otevírají se tak nové možnosti integrace a energetické úspornosti v mikrosoučástkách. To jsou zvlášť důležité parametry pro rodící se svět internetu věcí a pro zpracování obrovského množství dat např. pomocí nástrojů umělé inteligence.
Z hlediska základní fyziky bylo pochopení elektronového spinu jedním z prvních významných úspěchů kvantové relativistické fyziky, která se zrodila ve dvacátých a třicátých letech 20. století. Po sto letech ale stále zůstává mnoho otevřených otázek okolo kolektivního chování spinů v krystalech, které způsobuje magnetické chování látek. Stále také přicházíme na nové jevy, které se týkají vzájemného ovlivňování spinu a magnetismu na jedné straně a elektrických proudů nebo optických pulzů na straně druhé. Některé z objevů posledních desetiletí si už hledají cesty ve vývoji nových typů magnetických pamětí, jiné otvírají budoucí možnosti např. v zápise informace ultra-rychlými optickými záblesky nebo ve vývoji součástek pro umělé neuronové sítě.
prof. Tomáš Jungwirth, Ph.D.
Můžete laikovi přiblížit, co bylo cílem projektu?
Původní projekt navazoval na dřívější práce našeho týmu, kdy jsme spoluobjevili tzv. spinový Hallův jev. Kvantová relativistická fyzika v něm dává možnost během elektrického proudového pulzu dočasně zmagnetovat libovolný vodič, tedy i takový, který je vyrobený z nemagnetického materiálu. Později se ukázalo, že když je takový spinový Hallův vodič v kontaktu s magnetickým médiem, tak do něj dokáže elektricky zapsat data. Dnes je tento jev podstatou komerčního vývoje nového typu magnetických operačních pamětí s vysoce efektivním způsobem elektrického zápisu. Kromě této oblasti jsme v projektu zkoumali, jak obdobné principy zápisu rozšířit z elektrických pulzů do ultra-krátkých optických záblesků. A nakonec jsme i začali zkoumat, jak obdobné fyzikální jevy využít ke konstrukci magnetických pamětí založených místo feromagnetů na tzv. antiferomagnetech.
Ty se vyskytují mnohem častěji než feromagnety, ale zůstávaly téměř neprobádané a bez praktického využití. Sousední atomy v krystalu totiž mají své magnety orientované opačným směrem (odtud název antiferomagnet), takže navenek se takovéto magnetické uspořádání obtížně detekuje a ovládá. My jsme ukázali, že s pomocí kvantové relativistické fyziky to jde nakonec docela snadno, takže jsme mohli zkonstruovat i demonstrační prototyp antiferomagnetické paměti ovládané z počítače přes běžné USB rozhraní. Jednou z výhod takové paměti je odolnost vůči i velmi silným rušivým magnetickým polím. Další je pak o mnoho řádů vyšší rychlost zápisu a vlastnosti, které se blíží více neuronům v mozku než klasickým digitálním počítačovým součástkám. Tady už ale předbíhám do výsledků navazujícího projektu GAČR-EXPRO, který řešíme od roku 2019.
Laboratoř materiálů
Jak probíhala samotná práce na projektu?
Výzkum probíhal, a i dále probíhá, ve společné Laboratoři opto-spintroniky Fyzikálního ústavu Akademie věd a Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy s více než dvaceti vědci a studenty a také techniky, kteří pomáhají udržovat v chodu komplikovaná laboratorní vybavení. Ta zahrnují metody od přípravy samotných magnetických materiálů po jednotlivých atomových vrstvách a výroby součástek nanometrových rozměrů až po optické experimenty na časových škálách femtosekund. Důležitou součástí našeho týmu je i teoretická skupina pro výpočty materiálových vlastností a fyzikálních jevů z prvních principů a pro modelování spintronických součástek. Přestože tak „doma“ umíme realizovat celý řetězec prací od teoretické předpovědi až po realizaci experimentální součástky, tak velmi intenzivně spolupracujeme s dalšími skupinami v Česku i v zahraničí. Tyto spolupráce podporují mimo jiné evropské granty (např. dva granty Evropské výzkumné rady) nebo soukromé subjekty jako firma Hitachi nebo Nadační fond Neuron.
Potvrdily se předpoklady a cíle, se kterými jste do projektu šli?
Například oblast výzkumu antiferomagnetických pamětí byla v původním projektu jen okrajová. Výsledky nicméně vysoce předčily naše původní očekávání a obor se dnes již ve světě etabloval jako samostatná rychle se rozvíjející disciplína. To dokládá například pozvání přednést v roce 2018 plenární přednášky na třech nejvýznamnějších mezinárodních kongresech o magnetizmu v Asii, USA a Evropě a pozvání koordinovat přípravu speciálního vydání časopisu Nature Physics v roce 2018 k tématu antiferomagnetické spintroniky za účasti 24 předních světových pracovišť.
Laboratoř optiky
Jsou zjištěné informace nějak využitelné v praxi?
Jak jsem zmínil výše spinový Hallův jev, který jsme také v projektu dále studovali, je dnes již ve stádiu komerčního vývoje magnetických pamětí. Naše původní pozorování jevu je ale práce stará již více než patnáct let. Výzkum antiferomagnetické spintroniky je obor, který se teprve rodí, takže je obtížné odhadnout v jakém časovém rámci bychom se mohli dočkat prvních aplikací. Již dnes je ale součástí našeho týmu skupina inženýrů, kteří připravují testovací obvody pro případné budoucí aplikace. Ty by se ale již musely vyvíjet v mikroelektronických firmách, mezi kterými je např. Hitachi naším dlouhodobým partnerem jak ve výzkumu, tak i ve společné ochraně intelektuálního vlastnictví.
Budete zjištěné informace dále rozvíjet?
Výše už jsem naznačil pokračování našeho výzkumu se zaměřením na antiferomagnety v rámci projektu GAČR-EXPRO 2019-2023. Mezinárodní spolupráci v této oblasti pak rozvíjíme za podpory evropského grantu Horizon 2020 Future and Emerging Technologies, který koordinujeme a na kterém se účastní tři ústavy Maxe Plancka z Německa a dále univerzity z Německa a Velké Británie.
Na čem zajímavém aktuálně pracujete a co plánujete?
V krátké době nám vyjde článek v Nature Elektronics, kde ukazujeme zápis pomocí nového fyzikálního principu do antiferomagnetické součástky pomocí elektrických pulzů od mikrosekund po nanosekundy a také pomocí ultrakrátkého pulzu generovaného femtosekundovým laserem. Součástka má také zajímavé chování v závislosti na počtu, pořadí a časovém odstupu mezi zapisovacími pulzy, čímž připomíná vlastnosti neuronových sítí spíše než klasických digitálních součástek.
Petr Němec, Vít Novák, Tomáš Jungwirth
Jak jste spokojen se systémem GRIS a s ním spojenou administrativou?
V poslední době jsem nezaznamenal výpadky systému a obecně mi dnes podávání grantové přihlášky a grantových zpráv připadá obdobné, jako ve standardních zahraničních agenturách.
Poznámka: Na úvodním obrázku vidíte členy týmu Laboratoře materiálů.
Biologické centrum Akademie věd v Českých Budějovicích zaznamenalo celosvětový úspěch. Parazitologové otestovali vakcínu, která vykazuje 100% účinnost vůči všem druhům bakterií rodu Borrelia. K tomu významně přispěly také dva projekty základního výzkumu podpořené Grantovou agenturou ČR. S parazitologem Radkem Šímou jsme se bavili nejen o vývoji a budoucnosti této vakcíny, ale také o promořenosti klíšťat v ČR a jeho práci během pandemie koronaviru. Pracoviště se totiž během jediného víkendu podařilo proměnit v laboratoř testující vzorky na přítomnost COVID-19.
Jak dlouho se lidstvo snaží vyvinout vakcínu proti borelióze? Toto infekční onemocnění přenášené klíšťaty, pokud zůstává neléčeno antibiotiky, postihuje nervovou soustavu, srdce či klouby.
Bakterie rodu Borrelia, které způsobují onemocnění borelióza, byly poprvé popsány počátkem 80. let minulého století v USA. Od té doby směřujeme k tomu, abychom pochopili, jak se borelie přenáší z klíštěte do hostitele. Ten přenos se samozřejmě snažíme zastavit. Jedna vakcína proti borelióze se na trhu již objevila, a to v roce 1998 v USA. Bohužel měla řadu negativních vedlejších účinků a celkově nebyla příliš úspěšná. Po čtyřech letech byla stažena.
Promořenost klíšťat boréliemi je u nás kolem 20 %. Výskyt klíšťat se nějak zásadně nezvyšuje, migrují ale také do vyšších nadmořských poloh.
Aktuálně jsme otestovali vakcínu, která navazuje na dřívější očkovací látku. Působí na všechny druhy borelií. Těch je k dnešnímu dni známých 23. Imunitní systém pozitivně ovlivněný novou vakcínou dokáže velmi rychle a spolehlivě rozpoznat borelie vstupující z klíštěte do hostitele. Specifické protilátky se totiž navážou na povrch borelií a imunitní systém je následně zničí. Nová vakcína byla navíc navržena tak, aby negativní vedlejší účinky byly minimalizovány.
Pro vývoj vakcín je zcela zásadní základní výzkum a v tomto případě také detailní pochopení přenosu borelií z klíštěte do hostitele. V jednom z realizovaných projektů GA ČR jste také zkoumal rozdíly mezi klíšťaty pohybujícími se v Evropě a USA.
Ano. Interakce mezi boreliemi a klíšťaty studuji asi 9 let. V rámci základního výzkumu jsem realizoval dva projekty GA ČR řešící tuto problematiku. Výzkumný projekt, který skončil v roce 2019, byl zaměřen na detailní popis přenosu borelií prostřednictvím evropského druhu klíštěte Ixodes ricinus do svých hostitelů. Zjistili jsme, že způsob přenosu a chování borelií v evropských klíšťatech se liší oproti doposud všeobecně uznávanému modelu platnému pro americká klíšťata. To bylo naprosto zásadní pro další výzkum a výsledky. Díky našim poznatkům můžeme lépe vybírat cíle, proti kterým máme směřovat vakcinační strategie. Naše zjištění jsme shrnuli v obsáhlé publikaci. Tu odborná veřejnost velmi dobře přijala.
Základní výzkum a projekty Grantové agentury ČR zcela zásadně přispěly k aktuálním výsledkům při testování 100% úspěšné vakcíny proti Lymeské borelióze.
O nebezpečnosti klíšťat a onemocněních, která přenášejí, slýcháme poměrně často. Je v posledních letech jejich výskyt větší? A jaká je vlastně promořenost klíšťat boréliemi?
Klíšťata jsou poměrně vděčné mediální téma. Dramatický nárůst určitě nepozorujeme. Zajímavé je, že se šíří do nových oblastí, třeba vyšších nadmořských výšek. To ale souvisí s měnícími se klimatologickými podmínkami.
Každé páté klíště v ČR v sobě nese borelie, promořenost klíšťat v ČR je tedy nějakých 20 %. Po celé republice je i přes drobné výkyvy v řádu procent v tomto ohledu situace obdobná.
Pokud chceme co možná nejvíce eliminovat riziko přenosu infekčních onemocnění přenášených klíšťaty, musíme klíště co nejrychleji najít a vyndat jej. Jakýmkoli způsobem. Tím se riziko opravdu minimalizuje.
Borrelie
Na testování vakcíny spolupracujete s americkou pobočkou farmaceutické společnosti Sanofi, která vakcínu vyvinula. Kdy se můžeme těšit na to, že bude vakcína volně dostupná?
Vakcína byla doposud otestována na myších. Pro to, aby se dostala na trh, bude třeba provést důkladné klinické testování na lidech, dobrovolnících. Zde bude zásadní rozhodnutí farmaceutické firmy, zda další vývoj finančně podpoří. Když bychom uvažovali o testování ve zrychleném režimu, vakcína by mohla být na trhu třeba do pěti let.
Jaké jsou Vaše plány do budoucna, kam směřujete svůj další výzkum?
Rádi bychom navázali na předchozí projekty, díky nimž se nám podařilo zpochybnit některá dlouholetá dogmata týkající se přenosu borelií. Následující výzkum a případný projekt podpořený GA ČR by byl logickým pokračováním projektů předchozích. Chtěli bychom se detailně zaměřit na další aspekty přenosu, popsat je a pokusit se najít slabá místa interakce mezi borelií a klíštětem. Na ta pak můžeme ještě lépe cílit již zmíněnými vakcinačními strategiemi.
Laboratoře základního výzkumu jsme přes víkend s kolegy zvládli přetvořit v diagnostické pracoviště pro testování vzorků na přítomnost COVID-19.
Jak se přizpůsobilo Vaše pracoviště pandemii koronaviru? Ovlivnil nouzový režim výzkum?
Patřili jsme mezi ta pracoviště, která se aktivně zapojila do diagnostiky COVID-19 a přizpůsobila se okamžitě aktuálním potřebám. Od konce března aktivně diagnostiku provádíme, což samozřejmě ovlivnilo naši běžnou práci i výzkum. V poslední době ale najíždíme do normálního režimu. Měl jsem velkou radost z toho, že jsme v podstatě během víkendu dokázali přestavět vědeckou laboratoř na diagnostickou. Tímto děkuji všem kolegům, kteří neváhali a do diagnostické činnosti se bez váhání zapojili.
RNDr. Radek Šíma, Ph.D. vystudoval molekulární biologii a genetiku na Biologické fakultě Jihočeské univerzity a molekulární patologii na Lékařské fakultě Univerzity Karlovy. Na Parazitologickém ústavu Biologického centra AVČR se zabývá studiem klíšťat, zejména ve vztahu k přenášeným patogenům. Vyvíjí laboratorní modely nejčastějších klíšťaty přenášených onemocnění, které jsou následně využívány k testování klíštěcích molekul zahrnutých v přenosu a přežití patogenů. Podílí se na řešení mezinárodních projektů, jejichž cílem je vývoj vakcín proti klíšťatům a jimi přenášeným onemocněním.
Grantová agentura České republiky (GA ČR) podporuje základní vědecký výzkum v ČR prostřednictvím peněžitých grantů. Vědecké a výzkumné projekty jsou vybírány na základě každoročně vyhlašované veřejné soutěže. Dále GA ČR financuje bilaterální projekty a projekty v evropských mezinárodních programech.
„Měli bychom udržet a rozvíjet úroveň zdravotnictví s aplikovaným i základním výzkumem, a zabezpečit zásoby profylaktických a depistážních prostředků. A měli bychom mít legislativu, která by reagovala flexibilně na společenské důsledky případných příštích epidemií,“ říká imunolog a virolog prof. RNDr. Ivan Hirsch, CSc., z biotechnologického a biomedicínského centra Biocev Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.
V Česku skončila většina koronavirových opatření, život se pomalu vrací do normálu. Celkový počet nakažených nemocí covid-19 přesáhlo v ČR hranici osmi tisíc lidí, zemřelo něco málo přes 300 lidí. Dá se v tuto chvíli říci, že Česko dobře zvládlo epidemii koronaviru SARS- C0V-2?
Ve srovnání s jinými zeměmi zvládlo Česko zdravotní stránku epidemie SARS-CoV-2 dobře. Zemřelo skutečně relativně málo osob a prověřila se robustnost zdravotního systému, který se nepřiblížil ke kolapsu nastavšímu v jiných zemích. Na vyhodnocení dlouhodobějších zdravotních, sociálních a ekonomických důsledků je třeba počkat. Dívám se na epidemii jako na krizový moment, na který většina zemí nebyla připravena. Flagrantní je celosvětově nízký stupeň předzásobenosti ochrannými prostředky a součástmi diagnostických souprav použitelných k detekci různých infekčních chorob.
Média se snažila v průběhu pandemie najít nějakou senzaci. Například se spekulovalo o tom, že Čechy před koronavirem zachránily genetické predispozice. Jaký je váš názor na to, že by měli mít Češi jakousi „genetickou odolnost“?
Rozdíly mezi průběhem epidemie v různých zemích jsou multifaktoriální. Rozdíly lze vysvětlovat různými příčínami. Mezi evidentní rozdíly je možné zařadit včasnou karanténu a disciplinovanost populace, spojenou se sociálním „distancováním“, včetně nošením roušek. Běžné společenské chování české populace je též méně vřelé a kontaktní než u Jihoevropanů. Genetické predispozice nelze vyloučit, a probíhající asociační studie nám poskytnou materál ke studiu. Hypoteticky by mohlo jít na příklad o vliv polymorfismu receptorového proteinu ACE2. Vzhledem k promíšenosti populace žijící na území ČR mi nepřipadá pravděpodobné, že by mohlo jít o významný faktor široce pojaté české „genetické odolnosti“.
Přeci jen vědce genetika v souvislosti s koronavirem zajímá. V Evropě se rozjel projekt sekvencování genomu u osob, které měly závažný průběh onemocnění covid-19 v mladším věku. Co je jeho cílem, jaké výsledky může projekt přinést?
Genetické studie asociace polymorbidit probíhají celosvětově delší dobu, bez ohledu na koronavirovou epidemii. Asociace genetických determinant svázaných se závažným průběhem onemocnění covid-19 v mladším věku je mnohem užší kriterium než genetická odolnost/citlivost celé české populace. Myslím, že tyto studie mohou být mnohem více přínosné. Mohou mít význam jak pro diagnostiku, tak pro terapii onemocnění.
Různé populace mají různé varianty v genu kódujícím protein ACE2. Virus SARS-CoV-2 jej využívá jako „kotvu“ ke vstupu do buňky, především v plicních sklípcích. Může právě tento protein hrát roli při vývoji vakcíny proti novému typu koronaviru?
Téměř všechny vakcíny vyvíjené proti infekci SARS-CoV-2 jsou založeny na zabránění vazby povrchového S antigenu viru s receptorem ACE2. Předpokládaná tvorba neutralizačních protilátek je přitom nasměrována proti povrchovému S antigenu viru, ne proti receptoru ACE2. Struktura ACE2 v tom však určitě hraje roli. Paralelou může být polymorfizmus koreceptoru CCR5 při rozvoji infekce a léčby HIV-1.
Vývoj nové vakcíny stojí stamiliony. Přitom SARS-CoV-2 se už nyní objevuje ve více mutacích. Je vůbec možné vyvinout vakcínu, která si poradí i s mutacemi koronaviru a „vyplatí“ se dávat do vývoje takové peníze?
Vývoj vakcín je vždy riskantní podnik. Profylatkický úspěch není nikdy zaručen, ale v historii moderní medicíny jde o zdaleka nejúčinnější přístup ke kontrole infekčních nemocí. Přes rozsáhlé znalosti, prakticky neomezené finanční zdroje a kumulaci špičkových odborníků nemáme po 40 letech vakcínu proti viru HIV. Vzhledem k nízké znalosti biologie a imunologie infekce SARS-CoV-2 je risk dvojnásobný. Na základě analogií máme však důvody k umírněnému optimizmu. Všechny viry mutují. Viry s RNA genomem obzvláště, a přesto proti nim máme velmi účinné vakcíny (spalničky, příušnice). Funkce některých virových proteinů dává malý evoluční prostor pro uplatnění mutací, které jsou selekčním tlakem eliminovány. Koronavirus nemutuje více než virus chřipky, proti které vakcínu máme.
Bylo podle vás správné rozhodnutí vlády, že se vývojem vakcíny proti koronaviru SARS-CoV-2 mají zabývat i české laboratoře? Mají šanci na úspěch?
Spolupracovat na vývoji vakcíny by české laboratoře měly. Vývoj vakcíny je špičkový vědecko-technologický počin, kterého se musí zúčastnit odborníci mnoha profesí. Česká věda by mohla výrazně přispět například vývojem diagnostik, bez kterých nelze vakcínu ani vyvíjet, ani aplikovat, ani testovat její účinnost. Některé české laboratoře v tom podnikají první kroky. Nemyslím, že by však bylo účelné vyvíjet lokální českou národní vakcínu bez zapojení do větších nadnárodních celků. V rámci veřejného sektoru by bylo nutné investovat do vývoje nutných technologií miliardové částky a neúměrné množství času.
Máme několik měsíců od vypuknutí pandemie, ale podle epidemiologů a virologů se toho stále o novém typu koronaviru ví málo. Čím koronavirus SARS- C0V-2 překvapil vás osobně?
1) Vysokým množstvím bezpříznakových nosičů, z nichž někteří nevyvinou onemocnění nikdy a někteří až po několika dnech, během kterých jsou infekční. Tím se liší od MERS a SARS-2002-3. SARS-CoV-2 je celkově méně patogenní, ale o to více „zákeřný“. 2) S tím souvisí jeho překvapivě vysoká patogennost pro polymorbidní, většinou seniorskou populaci.
Není přeci jen panika kolem koronaviru trochu přehnaná? Například přední český onkolog, profesor Žaloudík, říká, že covid-19 má obří reklamu a upozorňuje, že zatímco v Česku zemřelo s příznaky této nemoci tři stovky lidí, na rakovinu to bylo za stejné období necelých 7 000 lidí. Co si o tom myslíte?
Odpověď souvisí s naším pohledem na minulost a možností předvídat budoucnost. Epidemiologii různých rakovin máme letitě zmapovanou a můžeme docela dobře předvídat, že se v průběhu několika následujících měsíců dramaticky nezmění. U rakovin jde o dlouhodobá chronická onemocnění, u COVID-12 o akutní onemocnění probíhající několik dní až týdnů. U nového viru se dalo předpokládat málo, a mnohé z toho, se ukázalo v průběhu dvou měsíců za nepodložené. Nevyšlo srovnání se SARS-2002-3 ani s MERS. SARS-CoV-2 vykazuje sice menší smrtnost, ale infikovaní jedinci se hůře identifikují a separují od zdravých. Na počátku epidemie nebylo jasné, jak účinná budou karanténní opatření. Rozvoj onemocnění osob infikovaných SARS-CoV-2 vedl v některých zemích ke kolapsu zdravotního systému svou dynamikou nesrovnatelnou s nádorovými onemocněními.
Epidemiologové už nyní upozorňují, že vlna pandemie, kterou jsme nyní prošli, je jen takové „první cvičení“, že přijdou další vlny a pravděpodobně už letos na podzim. Očekáváte také, že se pandemie na podzim vrátí?
To skutečně nevím. Z analogií s jinými repiračními onemocněními existují argumenty pro i proti.
Nemoc covid-19 zabila statisíce lidí po celém světě a zavlekla svět do ekonomické krize. Přesto, může přinést i něco pozitivního – v myšlení a chování lidí, náhledu na životní styl, životní prostředí apod.?
Vedle odpovědi, kterou jste zabudoval do Vaší otázky, a která vzhledem ke společenské paměti lidstva může být krátkodobá, by měla být vybudována „paměť“ dlouhodobá: Měli bychom udržet a rozvíjet úroveň zdravotnictví s aplikovaným i základním výzkumem, a zabezpečit zásoby profylaktických a depistážních prostředků. A měli bychom mít legislativu, která by reagovala flexibilně na společenské důsledky případných příštích epidemií.
Prof. RNDr. Ivan Hirsch, CSc., vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy. Pětadvacet let byl ředitelem ve výzkumném pracovišti Insermu ve Francii. Spolupracoval na řadě výzkumných projektů v Ústavu molekulární genetiky AV ČR a Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Jeho specializací jsou mechanismy chronické a latentní infekce viry HIV a hepatitidy B a C.
Vědecké týmy po celém světě pracují na vývoji vakcíny proti koronaviru SARS- C0V-2 a podle posledních informací již probíhají první testování. „Testování vedlejších účinků vyvíjených vakcín bude pravděpodobně nepříjemně dlouho trvat. Dokonce se zdá, že po razantním potlačení pandemie nebude k dispozici dostatečně velká populace pro provedení takových studií,“ říká v rozhovoru prof. RNDr. Václav Hořejší, CSc. z Ústavu molekulární genetiky Akademie věd České republiky.
V Česku skončil nouzový stav, vláda uvolnila většinu koronavirových opatření, život se pomalu vrací do normálu. Jak podle vás zvládlo Česko epidemii koronaviru SARS- C0V-2? Odvedli epidemiologové a vláda podle vás dobrou práci?
Myslím, že musí být každému zřejmé, že Česko zvládlo epidemii ve srovnání s většinou vyspělých zemí výborně. Podle mě je nejobjektivnějším ukazatelem úspěšnosti počet úmrtí na milion obyvatel. U nás je toto smutné číslo 30, v Německu 100, ve Švédsku 410, ve Francii 440, v Itálii a Velké Británii 550, v USA 300 (ve státě New York 1500). Podobně dobře jako my je na tom např. Izrael (31), Řecko (15), Norsko (43) či Slovensko (5). Epidemiologové a vláda odvedli skvělou práci. Měli jsme skutečně štěstí, že vláda poslechla varování epidemiologů, že se blíží katastrofa, a zavedla včas razantní opatření (kdyby je zavedla o týden dříve, mohlo to být ještě lepší).
Úplně jinak než u nás tomu bylo např. ve Velké Británii. Tam premiér dostal od svých dvou vědeckých poradců (Sir Patrick Vallance a Chris Whitty) doporučení, že by měla být přijata strategie „řízeného promořování“ populace s cílem dosáhnout „skupinové imunity“. Na základě toho se britská vláda nejprve rozhodla, že se nebudou přijímat žádná přísná opatření, která by narušila normální život občanů. Teprve když začalo být zřejmé, že se rozbíhá skutečná katastrofa, přistoupila o 10 dní později k opatřením ještě přísnějším, než u nás – úplný zákaz vycházení, a to (až na výjimky) i do zaměstnání. To už ale bylo pozdě. Nechápu, jak to, že lidé zodpovědní za následující nechtěný masakr zřejmě více než 50 tisíc lidí, nejsou v Británii voláni k zodpovědnosti. Je ovšem dobře, že britská vláda za tu „záchrannou brzdu“ přece jen zatáhla – kdyby neohroženě pokračovali v budování „skupinové imunity“, mohlo být obětí ještě desetkrát víc (zdá se mi ovšem, že někteří ekonomičtí pragmatici by i takový výsledek uvítali jako příspěvek k jakési penzijní reformě). Díky bohu, že podobní „odborníci“ neradili naší vládě, resp. že ta je neposlechla.
Není přeci jen panika kolem koronaviru trochu přehnaná? Například přední český onkolog, profesor Žaloudík, říká, že covid-19 má jen obří reklamu a upozorňuje, že zatímco v Česku zemřelo s příznaky této nemoci tři stovky lidí, na rakovinu to bylo za stejné období necelých 7000 lidí. Co si o tom myslíte? Žádnou paniku nevidím. Lidé přijali ta karanténní opatření velmi klidně a zodpovědně. Někteří kritizují, že tomu politici i média věnovali až příliš pozornosti. Já si ale myslím, že to bylo správné, protože bylo potřeba, aby si lidé uvědomili, že je to vážná věc, která se nesmí nějak „ošvejkovat“. Výroky lidí jako profesor Žaloudík nechápu – ten nízký počet úmrtí byl přece právě proto, že byla uplatněna ta přísná opatření. Kdyby tomu tak nebylo, přesahoval by počet úmrtí na covid-19 počet na všechny diagnózy dohromady (viz situace v New Yorku nebo italském Bergamu). Jak to, že tenhle elementární fakt nechápou ani někteří univerzitní profesoři? Jsem ale rád, že i velká většina opozičních politiků vládu za její kroky pochválila a kritizovala jen některé dílčí chyby provedení.
Máme několik měsíců od vypuknutí pandemie, ale podle epidemiologů a virologů se toho stále o novém typu koronaviru ví málo. Čím koronavirus SARS- C0V-2 překvapil vás? Já myslím, že se o žádném velkém překvapení nedá mluvit. To, že hrozí nějaká velká epidemie nového koronaviru nebo těžké chřipky, se dávno vědělo – byla jen otázka, kdy se tak stane. Buďme rádi, že to nebylo horší. Klidně se mohl objevit virus s ještě desetkrát vyšší smrtností.
Tento virus má RNA genom. Je to výhoda, anebo výhoda z hlediska jeho šíření? V čem především spočívá jeho nebezpečí? V principu by asi neměl být z hlediska šíření rozdíl mezi viry s genomem RNA nebo DNA. Většina nebezpečných epidemických virů je ale typu RNA. Asi to tedy nějaký význam má. Tento koronavirus je – na rozdíl od čtyř běžných „hodných“ koronavirů vyvolávajících onemocnění, kterým říkáme „rýma“ nebo „nachlazení“- záludný v několika ohledech: napadá dolní cesty dýchací, což může způsobovat těžké zápaly plic, pacienti jsou infekční i v inkubační době před objevením se příznaků, mnoho případů je zcela bezpříznakových, a přitom takoví jedinci mohou nakazit své okolí.
V tuzemských i zahraničních médiích se stále objevují spekulace o tom, zda nemohl tento nový typ koronaviru uniknout z čínské laboratoře. Jaký je váš názor?
Teoreticky se to samozřejmě vyloučit nedá, ale právě tak se teoreticky nedá vyloučit jiná konspirační teorie, se kterou přišli někteří Číňané, že totiž ten virus pochází z americké laboratoře a do Wu-chanu byl zavlečen americkými armádními sportovci na tamních podzimních mezinárodních závodech. Existuje i spiklenecká teorie, že čínští komunisté virus záměrně vypustili, aby tak poškodili Západ a aby to zakamuflovali, nechali nejprve epidemii proběhnout ve Wu-chanu, jak se domnívá např. jeden můj dávný vědecký známý, Američan českého původu. O tom, že by tento virus pocházel z nějaké laboratoře, neexistují žádné, skutečně žádné důkazy (nenechme se zmýlit opačnými falešnými tvrzeními). Všechny tyto domněnky je proto potřeba považovat za to, čemu se říká „fake news“. Před několika dny zveřejnili představitelé moderního a světovými vědci respektovaného wu-chanského virologického ústavu zprávu, že se tam studovaly tři koronaviry pocházející z netopýrů, ale žádný z nich nebyl blízce příbuzný s tím „naším“ SARS-CoV-2. Skutečnost je taková, že neznáme žádné detaily o tom, jak, v jaké podobě a kdy tento virus přeskočil z nějakého zvířecího hostitele (pravděpodobně nějakého druhu netopýra) na člověka. Je docela pravděpodobné, že k tomu prvnímu přenosu došlo už před delší dobou (nikoli v listopadu na wu-chanské tržnici) a virus se nejprve mutačními procesy přizpůsoboval novému hostitelskému druhu. V tom Wu-chanu pravděpodobně tenhle „optimalizovaný“ virus jen našel vhodné prostředí k šíření. Ale i toto je jen spekulace.
Epidemiologové už nyní upozorňují, že vlna pandemie, kterou jsme nyní prošli, je jen takové „první cvičení“, že přijdou další vlny a pravděpodobně už letos na podzim. Očekáváte také, že se pandemie na podzim vrátí? Pokud se dosavadní úspěšný boj s virem dovede do konce, takže třeba v létě nebudou dlouhodobě žádné nové případy onemocnění a populace bude „čistá“, tak nevidím důvod k nějaké „druhé vlně“. K té ale jistě dojde, pokud přestaneme respektovat ta zbývající opatření v situaci, kdy virus v populaci ještě koluje, a povolíme masové akce a přeplněné hospody.
Máme si zvyknout na to, že čas od času zachvátí svět nové koronaviry? A budou podle vás ještě nebezpečnější? To je docela pravděpodobné. Možná ještě pravděpodobnější je pandemie nějaké nové „španělské“ chřipky. Doufám ale, že pokud k tomu dojde, budeme už na to lépe připraveni a zvládneme to mnohem efektivněji a rychleji. Věřím také, že už budou k dispozici i účinná virostatika.
Vývoj nové vakcíny stojí stamiliony. Přitom SARS-CoV-2 se už nyní objevuje ve více mutacích. Je vůbec možné vyvinout vakcínu, která si poradí i s mutacemi koronaviru a „vyplatí“ se dávat do vývoje takové peníze? Myslím, že naprostá většina těch mutací nemá vliv na strukturu těch kritických molekul na povrchu viru, na která se mají vázat protilátky vzniklé po vakcinaci. Takže s velkou pravděpodobností by se taková investice měla vyplatit. Spíše není jisté, zda některá z těch vakcín bude celkově dostatečně účinná a bez nepříznivých vedlejších účinků. Otestovat tyhle aspekty bude pravděpodobně nepříjemně dlouho trvat. Dokonce se zdá, že po razantním potlačení pandemie nebude k dispozici dostatečně velká populace pro provedení takových studií – něco podobného se stalo před 16 lety v případě menší pandemie jiné koronavirové choroby SARS.
prof. RNDr. Václav Hořejší, CSc. Molekulární biolog a imunolog, přední vědec a popularizátor vědy. V roce 1995 se habilitoval, profesuru imunologie získal roku 2000 na Univerzitě Karlově. V letech 2005 až 2017 byl ředitelem Ústavu molekulární genetiky Akademie věd ČR. Autor více než 220 vědeckých studií, které doposud měly více než jedenáct tisíc citací.
Výzkum stárnutí prochází převratným obdobím – ukazuje se, že současné teoretické základy našeho chápání evoluce a mechanismů stárnutí nemohou dobře vysvětlit pozorované aspekty stárnutí v přirozených podmínkách. Jedním z faktorů je nedostatek informací o vzájemných vztazích mezi demografickými, evolučními a funkčními aspekty stárnutí u přirozeně žijících populací. I lidé prošli v posledních staletích významnými demografickými změnami.
„Přínosem studia stárnutí u divoce žijících populací zvířat je především pochopení vlivu ekologických faktorů pro jeho evoluční dynamiku,“ říká v rozhovoru doc. RNDr. Martin Reichard, Ph.D. z Ústavu biologie obratlovců Akademie věd ČR. Jako řešitel projektu GA ČR „Stárnutí v přirozených populacích: od demografie po genovou expresi“ problematiku stárnutí zkoumal.
Hlavním předmětem zájmu projektu byl halančík, malá ryba obývající dočasné tůně v africké savaně. Halančíci jsou modelovou skupinou pro výzkum stárnutí a umožňují rychle, vzhledem k jejich rychlému životu, otestovat otázky, na jejichž odpověď bychom jinak čekali mnoho let. Je to jakýsi most mezi výzkumem rychle žijících bezobratlých a nám blízkých, ale dlouho žijících obratlovců. Halančík spojuje výhody obou typů modelů – přirozeně krátký život bezobratlých a tělní plán obratlovců.
Můžete laikovi přiblížit, co bylo cílem projektu?
Halančíci jsou hojně využívaným modelovým druhem pro výzkum různých aspektů stárnutí. Našim cílem bylo zjistit, jak probíhá život těchto ryb, od narození do smrti, v přírodních podmínkách. K tomu jsme potřebovali pravidelně navštěvovat několik vzdálených populací halančíků, sledovat jejich počty v konkrétním čase, odebírat vzorky tkání na pozdější analýzy a zaznamenávat, jak se mění parametry jejich prostředí. To vše jsme potom vyhodnotili s ohledem na stárnutí a přežívání ryb v daných populacích.
Jak probíhala samotná práce na projektu?
Na samém začátku byla půlroční terénní expedice do jižního Mosambiku naplánovaná tak, aby pokryla období dešťů, kdy se halančíci líhnou, a několik následujících měsíců, během nichž tůně s halančíky postupně vysychají. Mosambik se nevyznačuje zrovna vyspělou infrastrukturou. Dva členové týmu, Milan Vrtílek jako postdoktorand a Jakub Žák, dobrovolník a současný doktorský student, proto pobývali půl roku v Mosambiku v zapůjčeném terénním autě. Tři další členové týmu do Mosambiku střídavě jezdili, pomáhali v terénu a odváželi cenné vzorky do laboratoře. V Evropě byly potom vzorky analyzovány z pohledu genové exprese, metabolomiky, či histologie – za účasti mnoha kolegů v rámci týmu i ve spolupráci s laboratořemi v Česku a jinde v Evropě.
Halančík Nothobranchius furzeri – můžete tuto rybu více přiblížit? Proč jste právě tento druh v projektu využili, čím je ryba zajímavá?
Tento halančík je malá ryba obývající dočasné tůně v africké savaně, které se plní sezónními dešti. Jedním z vedlejších výsledků našeho projektu bylo zjištění, že tento druh halančíka může dospět již za 2 týdny po vylíhnutí z jiker a stihne se rozmnožit i v tůních, které existují méně než 3 týdny. Jikry přežívají naprostou většinu roku ve vyschlém bahně, ve stádiu takzvané diapauzy. V té době je jejich metabolismus minimalizován a embrya přežijí nejen vyschnutí, ale třeba i úplnou absenci kyslíku.
Tato ryba má tedy dvě vývojové fáze. Jako embryo se její vývin může na mnoho měsíců úplně zastavit. Po vylíhnutí naopak vše probíhá ve zrychleném módu a během pár týdnů stihne halančík projít všemi fázemi života až po senescenci, kdy začínají selhávat jednotlivé funkce organismu a dochází k stárnutí typickému pro ostatních obratlovce, včetně člověka.
V základním popisu projektu jsem narazil na výrazy jako „histopatologie….markery oxidačního stresu tkání…regulace genové exprese“. Můžete tyto pojmy více vysvětlit?
V rámci projektu jsme zkoumali, zda halančíci během života prochází podobnými změnami jako ostatní obratlovci, včetně člověka. Určité projevy stárnutí jsou podobné pro většinu živočichů. Histopatologickými vyšetřeními jsme například zaznamenávali změny v jaterní tkáni, především s ohledem na výskyt nádorů, které pozorujeme u halančíků v zajetí.
Oxidativní stres vzniká jako vedlejší produkt základních buněčných procesů a způsobuje širokou škálu problémů. Zjednodušeně se jedná o poškození volnými radikály, které se uvolňují během buněčného metabolismu. S věkem se dopady oxidativního stresu hromadí a nás zajímalo, jak tento nárůst souvisí s ostatními parametry stárnutí.
K regulaci genové exprese lze stručně říct, že popisuje, které geny jsou nejvíce aktivovány a přepisovány. Z toho vyvozujeme, jak jsou určité metabolické dráhy využívány a jak dobře fungují. Obecně víme, že ve starším věku bývá regulace genové exprese narušena – s nepříznivým vlivem na činnost tkání a orgánů.
Potvrdily se předpoklady a cíle, se kterými jste do projektu šli?
Částečně ano, základní předpoklady se ukázaly platné. Ale zdaleka ne všechny. Například jsme předpokládali, že v přírodě budou halančíci vystaveni většímu stresu a náročnějším podmínkám prostředí. A že to uvidíme na rychlejším zhoršování jejich zdravotního stavu než v zajetí. Což se nepotvrdilo. Naším hlavním cílem bylo zjistit, zda a jak halančíci v přírodě stárnou, a to se nám zjistit podařilo.
Jsou zjištěné informace nějak využitelné v praxi?
V tomto projektu jsme se zabývali obecnými otázkami stárnutí, ale výstupy vytváří základ pro konkrétnější otázky. Halančíci jsou modelovou skupinou pro výzkum stárnutí a umožňují rychle, v řádu měsíců, vzhledem k jeho rychlému životu, otestovat otázky, na jejichž odpověď bychom jinak čekali mnoho let. Je to jakýsi most mezi výzkumem rychle žijících bezobratlých (octomilka, háďátko C. elegans) a obratlovců (např. myší). Halančík spojuje výhody obou typů modelů – přirozeně krátký život bezobratlých a tělní plán obratlovců.
Jedním za navazujících témat je například současná spolupráce s týmem profesora Slabého z brněnského CEITECu, kde nás zajímá variabilita mutací zodpovědných za spontánní vznik nádorů. Mnoho informací o nádorových onemocněních pochází z laboratorních kmenů, které jsou nejprve cíleně upraveny tak, aby byly náchylné ke konkrétním problémům, a ty jsou potom léčeny. Stejná nádorová onemocnění však mohou vznikat rozdílnými mutacemi, což velmi zásadně ovlivňuje úspěšnost léčby. Věříme, že halančíci zde mohou pomoci.
Jak si projekt vedl, co se týká citovanosti v odborných časopisech?
Některé články jsou citovány hojně. Třeba experimentální analýza vlivu mikrobiomu na přežívání z roku 2018, která vznikla ve spolupráci s kolegy z Max Planck Institutu v Kolíně nad Rýnem. Těm se podařilo významně prodloužit život halančíků tím, že jim transplantovali mikrobiom mladších jedinců. Tato práce je k dnešnímu dni podle Google Scholar citována 109x. Náš příspěvek spočíval v pochopení toho, jak vypadá a mění se mikrobiom ryb v přírodě a do jaké míry je mikrobiom halančíků v laboratoři možné považovat za přirozený. Ale i studie, které vznikly zcela z dat a vzorků nasbíraných během půlroční terénní práce, jsou na poměry našeho oboru, myslím, citovány docela obstojně – dva článku z roku 2018 mají přes 20 citací. V řadě ohledů jsme přinesli první poznatky o životě těchto modelových ryb v jejich přirozeném prostředí, takže doufáme, že o naše výsledky bude zájem dlouhodobě.
Budete zjištěné informace dále rozvíjet?
Během projektu jsme získali velké množství vzorků a dat, a nebylo v našich silách ani finančních možnostech je všechny zpracovat během tří let. Jak už to bývá, narazili jsme také na mnoho nových otázek, na které bychom se rádi podívali podrobněji.
Na čem zajímavém aktuálně pracujete a co plánujete?
V současné době se náš výzkum stárnutí halančíků zaměřil na otázky týkající se rozdílů ve stárnutí uvnitř populací. Proč stárnou samci rychleji než samice? Jak souvisí délka života (a rychlost chřadnutí organismu) s investicí do potomstva? Jak se doba strávená v embryonální diapauze projeví na životě halančíků po vylíhnutí? A jaké jsou mechanismy těchto rozdílů?
Jak jste spokojen se systémem GRIS a s ním spojenou administrativou?
Určitě existují uživatelsky intuitivnější systémy, ale zvykl jsem si. Nejhorší by asi bylo ten systém neustále měnit.
Vibrační optická aktivita (VOA) zahrnuje rychle se rozvíjející flexibilní spektroskopické metody, které odkrývají strukturu biomolekulárních systémů. Ovšem k určení vztahu mezi spektrem a strukturou je třeba provádět počítačové simulace, které jsou náročné a současné postupy jsou pro mnohé experimenty nedostatečné.
Cílem projektu GA ČR „Kombinace klasických a kvantově-mechanických výpočetních technik pro vibrační optickou aktivitu“ bylo zlepšit přesnost a použitelnost tzv. multi-scale metod založených na kombinaci molekulové mechaniky a kvantové mechaniky, a to spojením molekulové dynamiky a přenosu vibračních tenzorů, zahrnutím anharmonických efektů, a vývojem modelů pro zesílenou a indukovanou VOA.
„Výpočetní postupy byly testovány na experimentálních datech. Projektu se účastnili dva vědečtí pracovníci a čtyři studenti magisterského a doktorského studia, projektový tým spolupracoval také s dalšími domácími i zahraničními pracovišti,“ říká vedoucí projektu profesor RNDr. Petr Bouř, CSc. z Ústavu organické chemie a biochemie AVČR.
Spektrometr pro měření Ramanovy optické aktivity
Proč jste zvolil právě toto téma? V čem je významné/zajímavé?
Asi bychom měli nejdříve říct, že vibrační optická aktivita (VOA) je jedna z metod, kterou můžeme zkoumat molekuly. V tom jak molekula např. pohlcuje nebo polarizuje světlo, se odráží to, jak vypadá, jaké jiné molekuly jsou v blízkosti. VOA má různé výhody i nevýhody oproti ostatním metodám. Pro mě je zajímavé, že je to metoda historicky relativně nová, stále se rozvíjí, a je vhodná pro celou řadu biologicky zajímavých molekul, včetně např. léčiv a proteinů doprovázející neurodegenerativní choroby. Byly pokusy ji aplikovat i na viry. Výzkum optické aktivity také představuje velice zajímavou kombinaci fyziky, chemie a biologie. VOA spektrometry začínají být komerčně dostupné, ale zdaleka ještě nejsou běžnou součástí laboratoří. Možná bude čtenáře také zajímat, že Česká republika je v tomto ohledu velmoc, špičkové VOA laboratoře najdeme v Akademii věd, na Vysoké škole chemicko-technologické, Karlově univerzitě, nebo Palackého univerzitě v Olomouci. Je to zásluha české tradice fyzikální chemie i profesora Timothy Keiderlinga z University of Illinois at Chicago, který mnoho českých vědců a studentů do Chicaga pozval a zájem o metodu v nás probudil.
Profesor Timothy A. Keiderling, iniciátor VOA spektroskopie v Čechách
Můžete laikovi přiblížit, co bylo cílem projektu?
Už víme, že interakce molekul a světla záleží na jejich struktuře. Rajčatová šťáva bude určitě obsahovat jiné molekuly než zelený špenát. Ale poznat jaké, není tak jednoduché. Můžeme si hrát s ozařováním různými druhy světla, včetně měření VOA, ale schází nám pojítko mezi spektrální odezvou a strukturou. Naštěstí vznik VOA v 70. letech minulého století by provázen rozvojem teoretických a výpočetních metod. Ty v zásadě umožňují spektra molekul simulovat, a tak ověřit, že naše představy o zkoumaném systému jsou správné. Ovšem přesně „spočítat“ i poměrně malou molekulu může trvat mnoho týdnů výpočetního času, a realistické modely pro biologicky relevantní systémy jsou dostupné teprve v posledních letech. Cílem projektu tedy bylo tyto výpočty urychlit a „napasovat“ na vibrační optickou aktivitu. V některých směrech se nám to povedlo velmi dobře, např. jsme ukázali, že čas pro přesný výpočet vibračních vlastností proteinu, který by konvenčními metodami dosahoval tisíce let, můžeme zkrátit na několik dní.
Jak probíhala samotná práce na projektu?
Samozřejmě kvalita týmu je vždy rozhodující, a určitě bych měl poděkovat kolegům a spolupracovníkům Ústavu organické chemie a biochemie, kteří se nechali „zbláznit“ do problematiky opticky aktivní spektroskopie. Spolupracovali jsme i s podobně „postiženými“ vědci z Polska, Norska, Kanady, USA a Japonska. Projekt se dotknul i zhruba deseti studentů, ať už přímo financovaných z grantu nebo ne, např. v rámci jejich doktorských nebo bakalářských prací, měli jsme praktikanty ze zahraničí (program IAESTE) a gymnaziální studenty z „Otevřené vědy“. Na podmínky si tedy nemohu stěžovat. Někdy se dělaly experimenty, někdy bylo ovšem nutné zalézt domů „pod peřinu“ a strávit několik dní soustředěným programováním.
Skupina Biomolekulární spektroskopie před Ústavem organické chemie a biochemie
Potvrdily se předpoklady a cíle se kterými jste do projektu šli?
Naše představy, výpočty, závěry se vždy snažíme konfrontovat s experimentem. A ten je zpravidla nikdy zcela nepotvrdí. Nakonec už antičtí učenci věděli, že s počtem známého roste i počet neznámého. Ale když se nad tím zamyslíte, jinak by žádný výzkum ani neměl cenu. Jako jedno překvapení, které jsme zažili, mohu uvést objev magnetické Ramanovy optické aktivity u plynů jako je chlor nebo brom. Žádná teorie to nepředvídala, my jsme ten signál ale jasně viděli, a museli jsme ho teprve vysvětlit.
Jsou zjištěné informace nějak využitelné v praxi?
To je v případě základního výzkumu samozřejmě citlivá otázka. Ne, že bychom se rádi rýpali v neužitečných věcech, ale pokud bych měl odpovědět upřímně, často to prostě nevíme. Každý objev nakonec našel uplatnění, a musíme přesvědčit mecenáše, v našem případě zejména veřejnost, že to tak bude i nadále. Ale abych nebyl takový pesimista, v případě VOA samozřejmě doufáme, že se uplatní v levnějších a rychlejších analýzách biomolekul, že polarizační metody se najdou použití v kvantových počítačích, budou pomáhat i v lékařské diagnostice, např. v rozpoznávání zdravých a nemocných tkáních. Výpočetní metody mohou nahradit drahé experimenty, uspíšit testování léků a přinejmenším omezit pokusy na zvířatech.
Simulovaná a experimentální VOA spektra alpha-helikálního proteinu
Jak si projekt vedl, co se týká citovanosti v odborných časopisech?
Komunikace přes časopisy je zásadní pro kontakt s odborníky v oboru, ale v citovanosti nečekám rekordy. Na to je to téma přece jen dost úzké. Určitě jsme publikovali v prestižních časopisech a citovanost stále stoupá. Rozhodně máme radost, když vidíme, že naše programy, metody používají kolegové z Itálie, Německa, Japonska…
Budete zjištěné informace dále rozvíjet/zkoumat?
Tak to rozhodně budeme, částečně to už děláme v návazném grantu GA ČR. Během projektu jsme například i navázali zajímavou spolupráci s profesorkou Y. Xu z Univerzity of Edmonton ohledně rezonančního Ramanova rozptylu, tj. další jevu z kategorie „VOA“, nebo s univerzitou v Krakově v oblasti tzv. chemického zobrazování.
Na čem zajímavém aktuálně pracujete a co plánujete?
Kdybych to chtěl zlehčit, řekl bych, že na nezajímavých věcech prostě nepracujeme. To je jedna z výhod vědy. Nápadů máme celou řadu, jak jsem už prozradil, v průběhu řešení projektu se objely některé nové experimentální jevy, které vypadají jako velmi zajímavý problém na rozhraní optiky, spektroskopie, chemie a výpočetního modelování. S kolegy z Univerzity Palackého v Olomouci chceme zdokonalit zejména jednu oblast VOA, tzv. Ramanovu optickou aktivitu.
Petr Bouř
Jak jste spokojen se systémem GRIS a s ním spojenou administrativou?
Kdybych řekl, že mi administrativa, vyplňování všelijakých maličkých chlívečků, rostoucí stohy a stálé změny zadávací dokumentace nevadí, nikdo by mi nevěřil. Objektivně ale musím uznat, že grantový systém u nás funguje, a lidé v grantové agentuře jsou velice vstřícní. Ale spíše, než nad vyplňováním chlívečků bych rozpoutal diskuzi nad financováním vědy jako takovým. Kdysi jsme si na toto téma vyměnili dopisy s předsedou GA ČR, a shodli jsme se, že grantový systém je v zásadě špatný, ale nic lepšího není. Něco jako kapitalismus. V zásadě jde o to, že se nevěří lidem, vědcům, že jsou schopni produkovat něco užitečného bez biče. Ptám se ale, je to vždy pravda? Jak pracovali Heyrovský, Wichterle, Holý? Podchytí náš vědecký systém všechny talenty, které u nás máme? Jakou část svého času má produktivní vědec věnovat vyplňováním grantových přihlášek? Často nejde o vědu, ale o holé živobytí jeho a jeho studentů. Taková diskuze mi u nás – i ve světě – chybí.
Abychom poskytli co nejlepší služby, používáme k ukládání a/nebo přístupu k informacím o zařízení, technologie jako jsou soubory cookies. Souhlas s těmito technologiemi nám umožní zpracovávat údaje, jako je chování při procházení nebo jedinečná ID na tomto webu. Nesouhlas nebo odvolání souhlasu může nepříznivě ovlivnit určité vlastnosti a funkce.
Funkční
Vždy aktivní
Technické uložení nebo přístup je nezbytně nutný pro legitimní účel umožnění použití konkrétní služby, kterou si odběratel nebo uživatel výslovně vyžádal, nebo pouze za účelem provedení přenosu sdělení prostřednictvím sítě elektronických komunikací.
Předvolby
Technické uložení nebo přístup je nezbytný pro legitimní účel ukládání preferencí, které nejsou požadovány odběratelem nebo uživatelem.
Statistiky
Technické uložení nebo přístup, který se používá výhradně pro statistické účely.Technické uložení nebo přístup, který se používá výhradně pro anonymní statistické účely. Bez předvolání, dobrovolného plnění ze strany vašeho Poskytovatele internetových služeb nebo dalších záznamů od třetí strany nelze informace, uložené nebo získané pouze pro tento účel, obvykle použít k vaší identifikaci.
Marketing
Technické uložení nebo přístup je nutný k vytvoření uživatelských profilů za účelem zasílání reklamy nebo sledování uživatele na webových stránkách nebo několika webových stránkách pro podobné marketingové účely.
prof. Tomáš Jungwirth, Ph.D.
Laboratoř materiálů
Laboratoř optiky
Petr Němec, Vít Novák, Tomáš Jungwirth
Borrelie
RNDr. Radek Šíma, Ph.D. vystudoval molekulární biologii a genetiku na Biologické fakultě Jihočeské univerzity a molekulární patologii na Lékařské fakultě Univerzity Karlovy. Na Parazitologickém ústavu Biologického centra AVČR se zabývá studiem klíšťat, zejména ve vztahu k přenášeným patogenům. Vyvíjí laboratorní modely nejčastějších klíšťaty přenášených onemocnění, které jsou následně využívány k testování klíštěcích molekul zahrnutých v přenosu a přežití patogenů. Podílí se na řešení mezinárodních projektů, jejichž cílem je vývoj vakcín proti klíšťatům a jimi přenášeným onemocněním.
Prof. RNDr. Ivan Hirsch, CSc., vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy. Pětadvacet let byl ředitelem ve výzkumném pracovišti Insermu ve Francii. Spolupracoval na řadě výzkumných projektů v Ústavu molekulární genetiky AV ČR a Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Jeho specializací jsou mechanismy chronické a latentní infekce viry HIV a hepatitidy B a C.
prof. RNDr. Václav Hořejší, CSc.
Spektrometr pro měření Ramanovy optické aktivity
Profesor Timothy A. Keiderling, iniciátor VOA spektroskopie v Čechách
Skupina Biomolekulární spektroskopie před Ústavem organické chemie a biochemie
Simulovaná a experimentální VOA spektra alpha-helikálního proteinu
Petr Bouř